DAS AUTOMOBIL

Anton Spies11.04.23

ARBEITSGRUPPE 3: DIE ZUKUNFT DER ENERGIE

SOMMERAKADEMIE SALEM 2008

Inhalt

Entwicklungsgeschichte des Autos

Heutige Antriebskonzepte Otto-Verbrennungsmotor Dieselmotor Vor- und Nachteile des heutigen Konzepts

Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe Biokraftstoffe Elektroantrieb Wasserstoff und Brennstoffzelle

Fragen und Diskussion

Die Entwicklungsgeschichte des Autos

Entwicklungsgeschichte des Autos

Holzwagen der Römer Erfindung der Dampfmaschine Entwicklung des Dampfwagens um 1770

1669 konstruierte Christian Huygens eine Kolbenmaschine

1876 perfektionierte Nicolaus August Otto diese Technik in Form eines

Viertakt-Gasverbrennungsmotors

Erfindung der Fremdzündung Entwicklung des Benzin-Verbrennungsmotors

1886 Carl BenzMannheim

1886 Gottlieb DaimlerBad-Canstatt/Stuttgart

Heutige Antriebskonzepte

Der Ottomotor – Aufbau

Zündkerze

Auslassventil

Einlassventil Verdichtungs-raumKolben

PleuelstangeKurbelwelle

vier Zylinder Reihenmotor

Der Ottomotor – Aufbau

Einer von vier Verbrennungsmotoren

Luft-Kraftstoff-Gemisch wird fremdgezündet

Neben Benzin auch Flüssiggas, Erdgas, Bioethanol, Biogas und Wasserstoff

Der Wirkungsgrad beträgt 20-30%

Generell unterscheidet man zwischen dem Zwei- und Viertaktmotor

Zündkerze

Auslassventil

Einlassventil

Verdichtungs-raumKolben

PleuelstangeKurbelwelle

vier Zylinder Reihenmotor

Der Ottomotor – Viertaktmotor

Thermodynamischer Kreisprozess besteht aus 4 Takten Dadurch ist ein geordneter Gaswechsel möglich Nur bei jeder 2. Kurbelumdrehung wird am Zylinder Arbeit verrichtet

1. Takt: Ansaugen Der Kolben saugt das Benzin-Luft-Gemisch in den

Zylinder.

2. Takt: Verdichten Der Kolben presst das Gasgemisch zusammen.

3. Takt: Arbeiten Der Funke einer Zündkerze entzündet das

Gasgemisch, es verbrennt explosionsartig. Das Gas verrichtet am Kolben Arbeit.

4. Takt: Ausstoßen Der Kolben drückt die Verbrennungsgase aus dem

Zylinder.

Der Ottomotor – Zweitaktmotor

Benötigt nur eine Kurbelwellenumdrehung Da keine Leertakte höhere Hubraumleistung Zeichnet sich durch einfache Bauart und Lageunabhängigkeit aus Problem: Spülverluste und schlechteres Abgasverhalten

1. Takt: Verdichten und ArbeitBei der Bewegung zum oberen Totpunkt wird das

Frischgas verdichtet und entzündet

2. Takt: Ausspülen, vorverdichten, befüllenDie Abgase ziehen über die Auslassöffnung ab,

der sich nach unten bewegende Kolben verdichtet das Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches wieder in den Zylinder strömt

Vorverdichtungs- raum

Einlass-öffnung

Auslass- öffnung

Überströmungs-kanal

Pkw-Bereich Motorräder Motorsport

Dort, wo hohe Leistung, hohe Umdrehungszahl und Laufruhe gefragt sind

Freizeitbereich Modellflugzeugbau Jet-Ski

Arbeitsgeräte Motorsägen Heckenschere Rasenmäher

Fahrzeuge Mofa Langsame Schiffsdiesel

Dort, wo hohe Lageunabhängigkeit und hoher Wirkungsgrad nötig sind

Viertaktmotor Zweitaktmotor

Der Ottomotor – Einsatzbereiche

Der Dieselmotor

1892 patentiert Rudolf Diesel seine „neue rationelle Wärmekraftmaschine“

„Der Gebrauch von Pflanzenöl als Kraftstoff mag heute unbedeutend sein. Aber derartige Produkte können im Laufe der Zeit ebenso wichtig werden wie Petroleum und diese Kohle-Teer-Produkte von heute.“

Charakteristische Merkmale:

Selbstzünder und hoher Wirkungsgrad mit 30 - 40% Direkteinspritzer Höhere Produktionskosten aufgrund der massiven Bauweise Physikalisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa 5.500 Umdrehungen je Minute Sparsam und zuverlässig Diesel-Boom, in manchen Ländern 75% der Neuzulassungen Höhere Rußpartikel-Emission

Hohe Alltagstauglichkeit dank ausgereifter Technik

Hoher Mobilitätsgrad – große Reichweite und schnelles Tanken

Effizienzsteigerungen und Verbrauchssenkungen

Bereits vorhandene Infrastruktur

Emissionsproblematik: 20% des CO2-Ausstoßes in Deutschland geht vom Verkehr aus

Luftverschmutzung Lärmbelastung Hohe Abhängigkeit vom Erdöl

und damit von Rohstoffländern „alte Technik“ als

Innovationsbarriere

Vorteile Nachteile

Vor- und Nachteile des heutigen Konzepts

Wirtschaft- lichkeit

Bei einer durchschn. Lebensdauer von 10 J. werden (einschl. Produktion): Mehr als 200.000 l Wasser, 112 l Motoröl und 12.000 l Kraftstoff verbraucht 5 l Bremsflüssigkeit, 7 Ölfilter und 15 Zündkerzen benötigt Über 1.000 Millionen m3 belastete Luft freigesetzt

Schadstoffe: Kohlenstoffdioxid: verändert die Zusammensetzung der Atmosphäre

führt zum Treibhauseffekt

Kohlenstoffmonoxid: entsteht bei unvollst. Verbrennung organischer Verbindungen wird von Hämoglobin 250 mal fester gebunden als O2

Kohlenwasserstoffe: entstehen bei unvollständiger Verbrenn. von Öl Zweitaktmotoren viele Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, sind krebserregend

Stickoxide: Reaktion von Stickstoff und Sauerstoff unter hohen Temperaturen Entzündung des Atemtrakts, Beeinträchtigung der Lungenfunktion

Schwefeloxide: im Treibstoff enthaltener Schwefel reagiert mit Sauerstoff SO2 und SO3 sind für Mensch und Tier giftig, saurer Regen

Umweltbelastung

Weltweiter Ölverbrauch und Zahl der Pkws

Das Auto ist weltweit der größte Ölkonsument

Fast zwei Mrd. Tonnen Rohöl im Jahr, knapp die Hälfte der gesamten Förderung, werden durch den Verkehr verbraucht

Über 900 Mio. PKWs existieren auf der Welt – Tendenz: weiter steigend

Insbesondere günstige Automobile, wie der „Nano“ von Tata Motors macht weltweite Mobilisierungswelle unaufhaltsam

o Verbrennungsmotoro Biodieselo Bioethanolo BTL („Biomasse-To-Liquids“) o Flüssiggas und Erdgas

o Elektroantriebo Elektroantriebo Brennstoffzelle

Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe

o Hybridantrieb

Biodiesel

Verfügt über sehr gute Schmiereigenschaften aufgrund des hohen O2-Gehalts (~11%) und chem. Aufbaus

Biodiesel ist nahezu schwefelfrei und senkt die Ruß-Emissionen um bis zu 50%

Es enthält weder das krebserregende Benzol noch andere giftige Aromaten

Momentan deckt Biodiesel 4% des Dieselbedarfs ab (2,8 Mio. l von 68 Mio. l an Kraftstoffen)

Wenn der Dieselbedarf in Deutschland gedeckt werden sollte, müsste Raps auf über einem drittel der Bundes-fläche angebaut werden

Biodieselproduktion

1 Hektar (10.000 m2)

3000 kg Raps mit 1.300

l Rapsöl (1.100 kg)

Ölmühle

1.000 kg Schrot130 kg Methanol

Umesterung

Glycerin 1.300 l Biodiesel (1.150 kg)

Quelle: Forschungsbericht IDW Köln

Heizwert: 10,4 kWh/l (37,1 MJ/l)

Besitzt i .d .R. keine „neutrale“ CO2-Bilanz

Verursacht höhere Emissionen von Kohlenwasserst. und Nox

Gutes Lösungsmittel zersetzt Dichtungen und Schläuche

Kann zu Problemen an der Ein-spritzpumpe und im Motoröl führen

Die guten Eigenschaften des Ethanols als Kraftstoff sind schon lange bekannt: Bereits das Ford-T-Modell war auf Ethanol ausgelegt

1 l entspricht 0,65 l Benzin, aufgrund der höheren Oktanzahl erhält man 10% mehr Leistung, aber auch 30% höheren Verbrauch 22,7 MJ/l – 32,5 MJ/l

Ethanol ist weltweit der dominierende Biokraftstoff, besonders in USA und Brasilien kommt dieser im großen Stil zum Einsatz

Pro Liter Ethanol können, je nach Energiequelle und Rohstoffbasis, 0,5 bis 2,2 kg CO2eq eingespart werden

Zusätzlich versucht man mit speziellen Enzymen aus Cellulose von Pflanzen-resten Cellulose-Ethanol herzustellen bessere Ausbeute u. Umweltbilanz

Bioethanol

Bioethanolproduktion - Vergleich

Quelle: Schmitz, 2005, S. 23

Im Jahr 2007 betrug die Beimischung von Bioethanol 1,2% In Brasilien beträgt der Bioethanolanteil, je nach Zuckerpreis, zw. 20 und 25%

Bioethanol verbrennt sauberer zu CO2 und Wasser als Benzin

Bodenverbrauch Konkurrent zur Lebensmittelindustrie

„Das Getreide, das nötig ist, um den 120 Liter fassenden Tank eines Geländewagens mit Ethanol zu füllen, reicht aus, um einen Menschen ein Jahr lang zu ernähren.“

Brasilien Deutschland

Rohstoffe Zuckerrohr Getreide, Zuckerrüben, Kartoffeln

Produktionskapazität ca. 17 Mio. m3 900.000 m3

Produktionskosten 0,20 – 0,25 USD/l 0,70 – 85 USD/l

Nettoenergiegewinn 18 MJ/l (4,5 kWh/l) 7 MJ/l (1,75 kWh/l)

Treibhausgaseinsparung 2 – 2,8 kg CO2eq/l 0,8 – 1,5 kg CO2eq/l

BTL – (Biomass To Liquid)

Im Vergleich zu etablierten Biokraftstoffen ist der BTL-Produktionsprozess komplex und aufwendig

In einer mehrstufigen thermochemischen Umwandlung von Pflanzenmasse wird Synthesegas erzeugt und daraus der gewünschte Kraftstoff

Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung beträgt bestenfalls 60%

Die größten Stärken dieses „Designerkraftstoffs“ sind die Verwendung von Restholz und anderer Pflanzenmasse und der potentiell hohe Ertrag von bis zu 12.000 kg BTL/ha

Zudem besitzt BTL weniger Schadstoffe und lässt sich für versch. Motor-bedürfnisse synthetisieren bessere Verbrennung & mehr Leistung

BTL – (Biomass To Liquid)

Flüssiggas und Erdgas

Besteht hauptsächlich aus Propan und Butan

Wird bei 5 – 10 bar flüssig gespeichert

Flüssiggastank kann problemlos in Notradmulde installiert werden

Steuerbegünstigt, da besseres Abgas-verhalten als bei Benzin: 15% weniger CO2 -Emissionen

50% weniger Kohlenwasserstoffe 80% weniger Stickoxide

Besitzt mit 12,9 kWh/kg eine höhere Energiedichte als Benzin (12,04 kWh/kg)

Besteht hauptsächlich aus Methan

Wird bei einem Druck von 200 – 300 bar in zylinderförmigen Druckbehältern gespeichert

Ist i. d. R. billiger als LPG, besitzt jedoch einen geringeren Brennwert

Wird in Rohren bis an die Tankstelle transportiert und vor Ort komprimiert

Besitzt mit 10 – 14 kWh/kg eine relativ hohe Dichte

Flüssiggas (LPG) Erdgas (CNG)

Flüssiggas und Erdgas - Speicherung

Flüssiggas (LPG) Erdgas (CNG)

Notradmuldentank

Allgemein: Antriebssystem, bei welchem zwei versch. Antriebe kombiniert werden

Das erste Hybridauto war der Lohner Porsche aus dem Jahr 1899 Wurde von Ferdinand Porsche entwickelt Erfuhr große Aufmerksamkeit auf der Weltausstellung in Paris im Jahr 1900

Das Problem waren dabei die Akkumulatoren

und die damit verbundene kurze Reichweite bei höherem Gewicht

Hybridantrieb

Hybridantrieb – Aufbau

Kraftstoff-tank

GetriebeStarter-batterie

Verbrennungsmotor

Elektromotor unterstützt Verbr.motor Zeitweise emissionsfreies Fahren mögl. Reduzierter Spritverbrauch und

Lärmemissionen Leistungs- und Effizienzsteigerung Rückgewinnung von Bremsenergie

Zusatzgewicht durch Elektromotor und Batterie

Höhere Kosten durch Zusatzbauteile Geringe Ladekapazität der Batterie

Kraftstoff-tank

Batterie-einheit

Getriebe

Verbrennungsmotor

Elektromotor

Generator

Hybridantrieb – Unterteilung

Allgemein unterscheidet man zwischen: Paralleler Hybrid:

Elektromotor und VM wirken auf einen Antriebsstrang Leistungsaddition beide Aggregate können kleiner dimensioniert werden Senkung von Verbrauch und Emissionen

Serieller Hybrid: VM hat keinerlei mechanische Verbindung zur Antriebsachse VM dient lediglich zum Antreiben eines Generators Aufladen der Batterien Es genügt kleiner und verbrauchsarmer Motor u. U. ohne ein Getriebe

Mischhybrid: Kombiniert parallelen und seriellen Hybridantrieb entsprechend der Verkehrssituation Dies ermöglicht ein Planetengetriebe

Zudem werden Hybride noch in Mikrohybrid, Mildhybrid und Vollhybrid unterteilt

Start-Stop-Automatik Besteht aus einem Kurbelwellen-

Startergenerator mit <4 kW/t Sobald Motor im Leerlauf ist oder unter 6 km/h,

wird der Motor abgeschaltet Wenn Bremspedal gelöst wird, wird der Motor

innerhalb von 0,4 sec gestartet Zusätzliche Ladekapazität Bescheidene Rekuperation möglich Einsparpotenzial:

Bis zu 16% in Stadtverkehr 6% im gemischten Betrieb

Mikrohybrid

Mildhybrid

E-Motor mit 6-14 kW/t Leistung Unterstützt VM beim Anfahren Rekuperation Leistungs- und Effizienzsteigerung Insbesondere bei großen Motoren

interessant „Downsizing“ möglich

Verkaufsstart: 2009 Sparsamste Luxus-Limousine mit

7,2 Liter Verbrauch

E-Motor stark genug, um Pkw anzutreiben >20 kW/t

Stadtverkehr mit viel „Stop&Go“: E-Antrieb mit hohem Drehmoment

Überlandfahrt: wenig Leistung, VM treibt an

E-Motor treibt bis zu 70 km/h an Bis zu 40% Verbrauchsenkung

möglich

Vollhybrid

Plug-In Konzept für 2010 Aufladen an der Steckdose, nutzen

von Stromüberkapazitäten E-Motor als Hauptantrieb VM dient lediglich zum Antreiben

eines Generators Normalreichweite: 60 km

Mit VM: 500 km 1-Liter-VM mit Verbrauch von etwa

3 – 4 l

Vollhybrid – Chevrolet Volt

Alternative Antriebskonzepte

Bereits 1881 fuhr das erste Elektroauto auf Pariser Straßen

Im 19. Jh. galt das Elektroauto als überlegen

1899 war es ein E-Fahrzeug, das schneller als 100 km/h fuhr

Um die Jh.wende gab es in den USA: 22% Benzinautos 38% Elektroautos 40% Dampfmaschinen

Wegen Reichweite waren sie nur im Flurfahrzeugbereich zu finden

Erlebt eine Renaissance seit der Umweltdiskussion und Einführung des Tesla Elektroautos

Elektroantrieb

Hoher Wirkungsgrad des Elektromotors Kein Umweg über thermodyn. Prozess Hohes Drehmoment Kein komplexes Getriebe (1 Gang) Neue Konzepte durch Radnabenmotoren Generell weniger Mechanik und Verschleiß Entlastung der Bremse durch Rekuperation Keine lokalen Emissionen und geringe

Lärmbelastung Energiemix einfachere Diversifikation der

Energieträger mögl.

Batterie nachwievor das größte Manko Noch hohe Kosten

Elektroantrieb – Elektromotor

Smart EV lieferbar ab 2010 100 werden in London getestet Müssen keine City-Maut bezahlen (8

Euro) Besitzt Lithium-Ionen Akkus mit

Reichweite von 100 km Hat nur einen Gang Kostet doppelt so viel (mind. 20.000 €)

Elektroantrieb – Aufbau

Batterie-einheiten

Radnaben-motorenGenerator

Lithium-Ionen Akkus: Kosten: pro 1kWh etwa 1000 € Ladekapazität: etwa 120 W/h

Funktion: Ladevorgang: Li-Ionen wandern von

der Kathode zur Anode und binden sich an Kohlenstoff, Elektronen fließen aus externem Stromkreis

Entladevorgang: Li-Ionen wandern wieder zurück zur Kathode, Elektronen fließen in den externen Stromkreis

Problem: Lebensdauer Kapazitätsverlust Ladedauer

Problemfeld – mobile Energiespeicher

Ladekapazität hängt von der Aufnahmefähigkeit der „Anode“ ab

Forscher vom MIT: Zehnfache Ladekapazität durch Silizium-

Nanodrähte anstatt Kohlenstoff Laborstadium

Toshiba SCiB: Schnelle Ladung: in nur 5 Minuten 90%

der Ladekapazität Zusätzl. geheimgehaltes Material Besonders langlebig: 3000 Ladezyklen Aber: Energiedichte liegt etwas über

Kondensatoren

Problemfeld – Entwicklungstendenzen

Problemfeld – Entwicklungstendenzen

Super Capacitor Speicherung von Energie durch Trennung

der Ladung Z. B. zwei Metallplatten, elektrostatisch Kurzschließen: Elektronen fließen über

externen Stromkreis Je größer die Oberfläche und je näher sie

dran sind, desto höher die Kapazität Unterliegen keinem Verschleiß Können extrem schnell Energie speichern Extreme Oberflächenvergrößerung durch

kleinste Kohlenstoffpartikel Mit 50 kg hat man 220 Wh

Problemfeld – Vergleich

Dem 1766 entdeckten Wasserstoff wird das Potential zugeschrieben, nach Holz, Kohle und Öl das vierte Energiezeitalter einzuläuten

Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger, er speichert Primärenergie in chem. Form und ähnelt damit eher einer Batterie

Das kleinste Element ist nahezu unerschöpflich, denn 90% aller Atome im Universum sind H2-Atome

Universell einsetzbar: Als mobiler Energiespeicher, als Kraftstoff für Autos oder zur Strom- und Wärmeerzeugung

Jedoch ist H2 hoch reaktiv und flüchtig, so dass es in reiner Form in der Natur so gut wie nicht vorkommt, aber für die Nutzung in dieser Form benötigt wird

Wasserstoff – „Kohle der Zukunft?“

Generell kommen zwei Techniken zur Gewinnung von H2 infrage: Die energieintensive Elektrolyse Erdgasdampfreformation – von den weltweit 700 Mrd. m3 werden 98% aus Erdgas

gewonnen

Wasserstoff – Bereitstellung

Die Speicherung des H2 stellt heutzutage die größte Herausforderung dar

1 kg H2 entspricht etwa 3 kg Benzin

1 Liter LH2 entspricht nur ¼ Liter Benzin für gleiche Reichweite ist größerer Tank notwendig

Gasförmige Speicherung: Mind. 700 bar Hohes Tankgewicht mit nur wenig Energiegehalt Tankinhalt beträgt weniger als 4% des Tankgewichts Hoher energetischer Aufwand bei der Kompression

Wasserstoff – Speicherung

Spezielle Kryotanks sind notwendig, um den LH2 auf -253 °C zu halten

Ein Teil des LH2 verdampft und muss bei Nicht-Nutzung raus gelassen werden

Zudem ist eine aufwendige Betankungstechnik notwendig

Insgesamt ist ein hoher Energieaufwand und –verlust damit verbunden

Wasserstoff – Speicherung

Speicherung in Metalhydriden, wie z. B.: Calciumhydrid oder Natriumborhydrid Bei der Reaktion mit Wasser oder bei Kontakt mit Katalysatoren zerfällt

Natriumborhydrid in Borax und Wasserstoff

Wasserstoff – Speicherung

Natriumborhydrid

Wasserstoff

Borax

Wasserstoff

NaBH4 + 2 H2O 4 H2 + NaBO2 Niedrige Betriebstemperatur Kompakte Bauweise

Hohe Reinheit des H2

Mehrere tausend Wiederbefüllungen möglich

Geringe Speicherdichte und Reichweite

Lange Betankungsdauer

Wasserstoff - Speicherung

Wasserstoff – Vergleich der Heizwerte

kWh/kg MJ/kg

Wasserstoff 33 118,7

Flüssiggas 12,9 46,40

Benzin 12,04 43,31

Diesel 11,87 42,70

Erdgas 10 - 14 36 - 50

Biodiesel 10,41 37,10

Bioethanol 8,00 32,30

Brennstoffzelle Elektrolyt Arbeits-temperatur

Elektrischer Wirkungsgrad

Brenngas

Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Kalilauge 20 – 90°C 60 – 70% Wasserstoff

Membranbrenn-stoffzelle (PEMFC)

Protonleiten-de Membran

20 – 80°C 50 – 70% Wasserstoff

Direkt-Methanol-brennstoffzelle (DMFC)

Protonleiten-de Membran

20 – 130°C 20 – 30% Methanol

Phosphorsäure-brennstoffzelle (PAFC)

Phosphor-säure

180 – 220°C Etwa 55% Erdgas, Biogas, Wasserstoff

Karbonatschmel-zenbrennstoffzelle (MCFC)

Alkalicarbonatschmelzen

620 – 660°C 65% Erdgas, Kohlegas, Biogas, H2

OxidkeramischeBrennstoffz.(SOFC)

Zirkonoxid 800 – 1000°C 60 – 65% Erdgas,Kohleg.,Biogas, H2

Brennstoffzelle - Vergleich

Brennstoffzelle – Funktion der PEMFC

A-Klasse „NECAR“ wird seit knapp 10 getestet

Im Realität kam hauptsächlich DMFC zum Einsatz

Befindet sich immer noch im Teststadium

Verkauf: unbekannt

Brennstoffzelle - Einsatz

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!

Zusammenfassung und Diskussion